Конструирование сосудов и аппаратов

Министерство образования Российской Федерации
Томский политехнический университет

В. М. БЕЛЯЕВ, В. М. МИРОНОВ

КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ

ОБОРУДОВАНИЯ ОТРАСЛИ

ЧАСТЬ I

ТОНКОСТЕННЫЕ СОСУДЫ И АППАРАТЫ

ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Учебное пособие

Томск 2003

УДК 66.002.5.001.2(075.8)

Беляев В. М., Миронов В. М. Конструирование и расчет элементов
оборудования отрасли. Ч. I: Тонкостенные сосуды и аппараты
химических производств: Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск,
2003. – 168 с.

В пособии в краткой форме изложены теоретические и инженерные ас-
пекты конструирования и расчета элементов тонкостенных сосудов и аппара-
тов химических производств, приведены примеры расчета. Приложение к по-
собию включает справочные данные по механическим свойствам материа-
лов, которые необходимы при расчете элементов оборудования, а также тре-
бования к конструированию и изготовлению фланцевых соединений с необ-
ходимыми для расчета справочными материалами. Пособие подготовлено на
кафедре общей химической технологии, соответствует программе первой
части дисциплины «Конструирование и расчет элементов оборудования от-
расли» по специальности 170500 – «Машины и аппараты химических произ-
водств» направления 655400 – «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в
химической технологии, нефтехимии и биотехнологии», а также может ис-
пользоваться при курсовом и дипломном проектировании студентами всех
химических специальностей.

Печатается по постановлению Редакционно-издательского Совета
Томского политехнического университета.

Рецензенты:

В. Л. Софронов – профессор кафедры машин и аппаратов химических
производств Сибирского государственного техноло-
гического института, доктор технических наук;

Г. Г. Андреев – профессор кафедры технологии редких, рассеянных и
радиоактивных элементов Томского политехническо-
го университета, доктор технических наук.

Темплан 2003

© Томский политехнический университет, 2003

Основные условные обозначения

с – прибавка к расчетному размеру;
с1 – прибавка для компенсации коррозии и эрозии;
сэ – прибавка на эрозию;
с2 – прибавка на компенсацию минусового допуска при прокате;
с3 – технологическая прибавка;
D – диаметр срединной поверхности обечайки;
Dн – наружный диаметр обечайки;
DВ – внутренний диаметр обечайки;
Dk – расчетный диаметр конуса;
Dпср – средний диаметр прокладки;
Е – модуль упругости материала;
Jk –момент инерции площади поперечного сечения кольца жесткости;
К – кольцевой момент;
М – меридиональный момент;
М0 – краевой момент;
[M]P – допускаемый изгибающий момент в пределах пластичности;
[M]E – допускаемый изгибающий момент в пределах упругости;
N – перерезывающая сила;
nT и nB – коэффициенты запаса прочности по пределу текучести и преде-
лу прочности соответственно;
Р0 – краевая сила;
[P1]P – допускаемая сжимающая сила в пределах пластичности;
[P1]E – допускаемая сжимающая сила в пределах упругости;
рk – критическое наружное давление;
ру – условное давление;
рпр – пробное давление;
рR – расчетное давление;
р – рабочее давление;
[p] – допускаемое давление;
[p]p – допускаемое давление из условия прочности;
[p]E – допускаемое давление из условия устойчивости;
RВ – внутренний радиус оболочки;
s – исполнительный размер рассчитываемого элемента;
sR – расчетный размер рассчитываемого элемента;
Т – кольцевая сила, отнесенная к единице длины меридионального сече-
ния;
U – меридиональная сила, отнесенная к единице длины кольцевого се-
чения;
П – проницаемость среды в материал (скорость коррозии), мм/год;
Δ0 – линейная деформация от краевого эффекта;
η – коэффициент уменьшения номинального допускаемого напряжения;

3

ϕ – коэффициент прочности продольного сварного шва;
ϕk – коэффициент прочности сварного шва кольца жесткости;
ϕТ – коэффициент прочности кольцевого сварного шва;
ϕc – коэффициент прочности сварного шва конической обечайки;
[σ] – расчетное допускаемое напряжение, МПа;
σном – номинальное допускаемое напряжение, МПа;
σТ и σВ – предел текучести и предел прочности материала, соответствен-
но;
σ0,2 – условный предел текучести;
σD – среднее значение предела длительной прочности за 105 часов при
расчетной температуре;
σ1% – средний 1%-ный предел ползучести за 105 часов при расчетной
температуре;
σэкв – эквивалентное напряжение;
σmax – максимальное напряжение;
σmin – минимальное напряжение;
σm – меридиональное напряжение;
σt – кольцевое напряжение;
σtT – предел текучести материала стенки при ее температуре;
θ0 – угловая деформация от краевого эффекта;
τ – срок службы аппарата;
t
τT – параметр в формуле Саусвелла (2.15а).

4

ВВЕДЕНИЕ
Целью механического расчета химического и нефтехимического обо-
рудования является определение размеров отдельных элементов, обеспечи-
вающих безопасную эксплуатацию машин и аппаратов за счет достаточной
механической прочности, плотности разъемных соединений, устойчивости к
сохранению формы и необходимой долговечности.
Конструкция аппарата должна предусматривать возможность внутрен-
него осмотра, очистки, промывки и продувки. Внутренние устройства, пре-
пятствующие осмотру, должны быть съемными. Рубашки допускается вы-
полнять приварными. Аппараты должны иметь люки-лазы для внутреннего
осмотра, расположенные в удобных для обслуживания местах. При наличии
у аппарата съемных крышек или днищ и фланцевых штуцеров, обеспечи-
вающих возможность внутреннего осмотра, лазы и люки в аппаратах не обя-
зательны. Кожухотрубчатые теплообменники (за исключением испарителей с
паровым пространством), а также аппараты с рубашкой для криогенных
жидкостей допускается выполнять без лазов.
Для возможности проведения гидроиспытаний аппарат должен иметь
штуцера для наполнения и слива воды, а также для поступления и удаления
воздуха (можно использовать технологические). На вертикальных аппаратах
эти штуцера должны быть расположены с учетом возможности гидроиспы-
таний в горизонтальном положении.
Для подъема и установки аппарата на нем требуется предусмотреть
строповые устройства. Допускается для этих целей использовать имеющиеся
на аппарате элементы (горловины, штуцера, уступы и др.), если прочность их
при этом не вызывает сомнений, что должно быть проверено расчетом.

5

1. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
В ХИМИЧЕСКОМ МАШИНОСТРЕНИИ
Специфические условия эксплуатации химического оборудования, ха-
рактеризуемые широким диапазоном давлений и температур при агрессив-
ном воздействии среды, определяют следующие основные требования к кон-
струкционным материалам:
– высокая химическая и коррозионная стойкость материалов в агрес-
сивных средах при рабочих параметрах;
– высокая механическая прочность при заданных рабочих давлениях,
температуре и дополнительных нагрузках, возникающих при гидравлических
испытаниях и в период эксплуатации аппаратов;
– хорошая свариваемость материалов с обеспечением высоких механи-
ческих свойств сварных соединений;
– низкая стоимость и недефицитность материалов.
1.1. Критерии работоспособности материала
Работоспособность материала оценивается критериями: прочностью,
жесткостью, устойчивостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью.
Критерий прочности предполагает три ее вида: статическую, цикличе-
скую и контактную.
На статическую прочность рассчитывают:
а) аппараты под постоянным внутренним давлением;
б) быстровращающиеся диски и оболочки;
в) элементы машин и аппаратов, находящиеся под постоянной нагруз-
кой.
На циклическую прочность рассчитывают детали, находящиеся под пе-
ременной нагрузкой (валы, зубчатые колеса, пружины и т.п.).
На контактную прочность рассчитываются такие элементы машин и
аппаратов, как пара бандаж-ролик, кулачок-толкатель и т.д.
Критерий жесткости является основным для таких элементов, как рамы,
корпусные детали машин, нагружаемые статически, валы передач и т.д.
Критерий устойчивости учитывается при расчете оболочек, нагружен-
ных наружным давлением или сосредоточенными силами, при расчете длин-
ных штоков, стержней, стоек и т.п.
Критерий износостойкости используют при выборе деталей, подвер-
женных ударным и истирающим воздействиям, например деталей дробилок и
мельниц.
Критерий химической и коррозионной стойкости является основным
при выборе конструкционного материала. Обычно выбирается материал, аб-
солютно или достаточно стойкий в среде при ее рабочей температуре и кон-
центрации.

6

1.2. Основные конструкционные материалы
Конструкционные материалы, используемые в химическом машино-
строении, условно делятся на четыре класса:
– стали;
– чугуны;
– цветные металлы и сплавы;
– неметаллические материалы.

Стали. Сталь представляет собой сплав железа с углеродом, содержа-
ние которого не превышает 1-2 %. Кроме того, в состав стали входят примеси
кремния, марганца, а также серы и фосфора.
Стали по химическому составу делятся на несколько групп:
– углеродистые обыкновенного качества;
– углеродистые конструкционные;
– легированные конструкционные и др.
Сталь углеродистую обыкновенного качества изготавливают 20 марок
химического состава, приведенных в ГОСТ 380-88, ГОСТ 16523-88.
Сталь углеродистая обыкновенная делится на несколько категорий – 1, 2, 3,
4, 5, 6, чем больше номер, тем выше механическая прочность стали и ниже ее
пластичность. По степени раскисления стали всех категорий изготавливают
кипящими (кп), полуспокойными (пс) и спокойными (сп).
В табл. 1.1 приведены примеры использования углеродистой стали
обыкновенного качества в химическом машиностроении.
Свойства углеродистой стали обыкновенного качества значительно по-
вышаются после термической обработки, которая для проката может выра-
жаться в его закалке, либо непосредственно после проката, либо после спе-
циального нагрева.
Таблица 1.1
Углеродистая сталь обыкновенная
Сталь Назначение
Ст3пс, Несущие элементы сварных и несварных конструкций, ра-
Ст3сп ботающих при положительных температурах
Несущие элементы сварных конструкций, работающих при
Ст3пс5,
переменных нагрузках в интервале температур
Ст3сп5
от -30 до+425 °С
Детали клепаных конструкций, трубные решетки, болты,
Ст5пс,
гайки, стержни и др. детали, работающие при температу-
Ст5сп
рах от 0 до 425 °С

Например, термическое упрочнение листового проката из стали марок
Ст3, Ст3кп при охлаждении в воде повышает предел текучести более чем в
1,5 раза при высоком (15÷26 %) относительном удлинении.
Термическая обработка низкоуглеродистых сталей не только улучшает

7

механические свойства сталей, но и приносит значительный экономический
эффект.
Стали углеродистые конструкционные выпускаются по ГОСТ 1050-74
следующих марок: 08, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 45, 55, 58 и 60. В зависимости от
степени раскисления по ГОСТ 1050-88, выпускаются следующие марки ста-
ли: 05кп, 08кп, 08пс, 10кп, 10пс, 11кп, 15кп, 18кп, 20кп и 20пс.
В табл. 1.2 приведены примеры, использования углеродистой конст-
рукционной стали в химическом машиностроении.
Таблица 1.2
Углеродистая сталь конструкционная
Сталь Назначение
08кп, 08пс, Патрубки, днища, испарители, конденсаторы, трубные ре-
08, 10кп, шетки, трубные пучки, змеевики и другие детали, рабо-
10пс, 10, тающие под давлением при –40 ÷ +425 °С
11кп
Патрубки, штуцера, болты, трубные пучки, корпуса аппара-
15кп, 15пс, тов и другие детали аппаратов в котлотурбостроении и хи-
15, 20кп, мическом машиностроении, работающих под давлением
18кп, 20пс,
при температурах –40 ÷ +425 °С, из кипящей стали –20 ÷
20, 25
+425 °С
Патрубки, трубные пучки и решетки, змеевики и штуцера,
10Г2
работающие при температурах до -70 °С под давлением

Для улучшения физико-механических характеристик сталей и прида-
ния им особых свойств (жаропрочность, кислотостойкость, жаростойкость и
др.) в их состав вводят определенные легирующие добавки.
Наиболее распространенные легирующие добавки:
– хром (Х) – повышает твердость, прочность, химическую и коррозион-
ную стойкость, термостойкость;
– никель (Н) – повышает прочность, пластичность и вязкость сталей;
– вольфрам (В) – повышает твердость стали, обеспечивает ее самозака-
ливание;
– молибден (М) – повышает твердость, предел текучести при растяжении
вязкости, улучшает свариваемость;
– марганец (Г) – повышает твердость, увеличивает коррозионную стой-
кость, понижает теплопроводность;
– кремний (С) – повышает твердость, прочность, пределы текучести и
упругости, кислотостойкость;
– ванадий (Ф) – повышает твердость, предел текучести при растяжении,
вязкость, улучшает свариваемость стали и увеличивает стойкость к водород-
ной коррозии;
– титан (Т) – увеличивает прочность и повышает коррозионную стой-
кость стали при высоких (>800°С) температурах.
Обычно в состав легированных сталей входит несколько добавок. По

8

общему содержанию легирующих добавок легированные стали делят на три
группы:
– низколегированные – с содержанием добавок до 3 %;
– среднелегированные – с содержанием добавок от 3 до 10 %;
– высоколегированные – с содержанием добавок > 10 %.
В табл. 1.3 приведены примеры использования легированных сталей в
химическом машиностроении.
Таблица 1.3
Легированные конструкционные стали
Сталь Назначение
Коррозионно-стойкие стали для применения в слабоагрессивных средах
Азотная и хромовая кислоты различной концентрации при
температуре не более 25 °С. Уксусная кислота концентрации
08Х13,
<5 % при температуре до 25 °С. Щелочи (аммиак, едкий натр,
12Х13
едкое кали). Соли органические и неорганические при темпе-
ратуре не более 50 °С и концентрации менее 50 %
Обладают повышенной твердостью, хорошей коррозионной
30Х13, стойкостью во влажном воздухе, водопроводной воде, в неко-
40Х13 торых органических кислотах, растворах солей и щелочей,
азотной кислоте и хлористом натре при 20 °С
12Х17 Окалиностойкая – до 850 °С.
Заменители сталей 12Х18Н9Т, 17Х18Н9, 12Х18Н10Т для
10Х14АГ15,
оборудования работающего в слабоагрессивных средах, а так
10Х14Г14Н4Т,
же изделий, работающих при повышенных температурах (до
12Х17Г9АН4
+400 °С) и пониженной температуре (до -196 °С)
Коррозионно-стойкие стали для сред средней агрессивности
Заменители стали марки 12Х18Н10Т и 12Х18Н9Т для сварных
конструкций, не подвергающихся воздействию ударных на-
08Х17Т, грузок при температуре эксплуатации не ниже -20 °С. Для труб
08Х18Т, теплообменной аппаратуры. Эксплуатировать в интервале
15Х25Т температур 400-700 °С не рекомендуется. Стойкие к действию
азотной, фосфорной, лимонной, уксусной, щавелевой кислот
разных концентраций при температурах не более 100 °С
Заменитель сталей 12Х18Н10Т и 08Х18Н10Т. Обладает более
08Х22Н6Т, высокой прочностью, чем эти стали, и используется для изго-
08Х18Г8Н2Т товления сварной аппаратуры, работающей при температуре
не выше 300 °С
Заменитель стали 12Х18Н9Т для сварных и паяных конструк-
12Х21Н5Т
ций
07Х21Г7АН5, Для сварных изделий, работающих при криогенных темпера-
12Х18Н9, турах (до –253 °С)
08Х18Н10

9

Окончание табл. 1.3
12Х18Н9Т, Высокая коррозионная стойкость по отношению к азотной, хо-
12Х18Н10Т, лодной фосфорной и органическим кислотам (за исключением
12Х18Н12Т уксусной, муравьиной, молочной и щавелевой), к растворам
многих солей и щелочей, морской воде, влажному воздуху.
Неустойчивы в соляной, серной, плавиковой, горячей фосфор-
ной, кипящих органических кислотах. Обладают удовлетвори-
тельной сопротивляемостью к межкристаллитной коррозии
08Х18Н12Б Обладает более высокой стойкостью, чем сталь 12Х18Н10Т.
Например, сталь устойчива к действию 65 % азотной кислоты
при температуре не более 50 °С, к действию концентрирован-
ной азотной кислоты – при температуре не более 20 °С, к
большинству растворов солей органических и неорганических
кислот при разных температурах и концентрациях
Х18Н14М2Б, Используются в производстве формальдегидных смол
1Х18М9Т
Х18Н9Т, Используются в качестве конструкционного материала в про-
Х20Н12М3Т изводстве пластмасс
Коррозионно-стойкие стали для сред повышенной и высокой агрессивности
04Х18Н10, Для оборудования и трубопроводов в производстве азотной
03Х18Н11 кислоты и аммиачной селитры
08Х18Н10Т, Для изготовления сварных изделий, работающих в средах
08Х18Н12Т высокой агрессивности. Применяется как жаростойкая
сталь при температуре до 600 °С
10Х17Н13М2Т, Для изготовления сварных конструкций, работающих в усло-
10Х17Н13М3Т, виях действия кипящей фосфорной, серной, 10 %-ой уксусной
08Х17Н15М3Т, кислоты и в сернокислых средах. Сварные корпуса, днища,
08Х17Н14М3, фланцы и другие детали при температуре от -196 до 600 °С под
03Х21Н21М4ГБ давлением
06ХН28МДТ, Для сварных конструкций, работающих при температурах до
10Х17Н13М2Т 80 °С в условиях производства серной кислоты различных
концентраций
06ХН38МДТ, Молочная, муравьиная кислоты при температуре до 20 °С. Ед-
03ХН28МДТ кое кали концентрации до 68 % при температуре 120 °С. Азот-
ная кислота концентрации 100 % при температуре 70 °С. Со-
ляная кислота, сухой йод концентрации до 10 % при темпера-
туре до 20 °С

Существенное значение для улучшения качества стали имеет химико-
термическая обработка, т.е. процесс насыщения поверхности стали различ-
ными элементами с целью упрочнения ее поверхностного слоя, увеличения
поверхностной твердости, жаростойкости и химической стойкости.
К основным видам химико-термической обработки изделий из стали
относятся:
– цементация – процесс насыщения поверхностного слоя углеродом, что

10